(57)【要約】  透光性基板（２）に透明電極（４）と、有機発光層（５）と、対向電極（６）とが設けられた有機ＥＬ素子（１）であって、透明電極（４）に隣接する高屈折率層（３１）及び透光性基板（２）に隣接する低屈折率層（３２）が積層される光取出し層（３）は、その高屈折率層（３１）と低屈折率層（３２）との界面に凸部（３１１）及び凹部（３１２）で構成される複数の凹凸部ユニット（３１Ａ）を有し、複数の凹凸部ユニット（３１Ａ）のうち少なくとも一つにおける高屈折率層（３１）と低屈折率層（３２）との界面から透明電極（４）と高屈折率層（３１）との界面までの距離ｄ１が光学可干渉距離以上で、かつ、凸部（３１１）の高さｄ２、凸部（３１１）の幅ｄ３、及び凸部（３１１）と凹部（３１２）を介して隣接する凸部（３１１）との間隔ｄ４が１μｍ以上である。
2011132773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明電極と、対向電極と、これら透明電極及び対向電極の間に設けられる有機発光層と、透光性基板とを備えた有機エレクトロルミネッセンス素子であって、
前記透明電極には、前記有機発光層と対向する面とは反対の面に光取出し層が隣接して設けられ、
この光取出し層は、前記透明電極側から順に積層される高屈折率層及び低屈折率層を備え、
前記透光性基板は、前記低屈折率層に隣接して設けられ、
前記有機エレクトロルミネッセンス素子の厚み方向断面を前記対向電極に対して前記光取出し層を上にして見たときに、
前記高屈折率層は、当該高屈折率層と前記低屈折率層との界面に、凸部及び凹部で構成される複数の凹凸部ユニットを有し、
前記複数の凹凸部ユニットのうち少なくとも一つの凹凸部ユニットにおける前記高屈折率層と前記低屈折率層との界面から前記透明電極と前記高屈折率層との界面までの距離ｄ１が光学可干渉距離以上で、かつ、前記凸部の高さｄ２、前記凸部の幅ｄ３、及び前記凸部と前記凹部を介して隣接する他の凸部との間隔ｄ４が１μｍ以上である
ことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項２】
請求項１に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子において、
前記透明電極の屈折率ｎ１、前記低屈折率層の屈折率ｎＬ、前記高屈折率層の屈折率ｎＨ、及び前記透光性基板の屈折率ｎ２が次の関係式（１）、（２）、（３）を満たす
ことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。なお、前記屈折率ｎ１、ｎＬ、ｎＨ、及びｎ２は、波長５５０ｎｍのときの値を示す。
［数１］
｜ｎ１−ｎＨ｜＜０．２    （１）
｜ｎ２−ｎＬ｜＜０．２    （２）
ｎＨ＞ｎＬ                （３）
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子において、
前記凸部の高さｄ２と、前記凸部の幅ｄ３とは、２．０＞ｄ２／ｄ３＞０．２の関係を満たす
ことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子において、
前記凸部の高さ方向に沿った側縁は、前記有機発光層から発生した光の取り出し方向に対して３５度以下で傾斜している
ことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項５】
請求項４に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子において、
前記高屈折率層の凸部の側縁は、前記有機発光層から発生した光の取り出し方向に沿った形状を有する
ことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項６】
請求項５に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子において、
前記高屈折率層の凸部の上縁は、前記有機発光層から発生した光の取り出し方向に直交する方向に沿った形状を有する
ことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子において、
前記光学可干渉距離が３μｍ以上である
ことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子において、
前記凸部の高さｄ２、前記凸部の幅ｄ３、及び前記凸部と前記凹部を介して隣接する他の凸部との間隔ｄ４が５μｍ以上である
ことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子において、
前記対向電極と前記有機発光層との間には、膜厚が７０ｎｍ以上の電子輸送帯域が設けられている
ことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の有機エレクトロルミネッセンス素子を備える照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子及び照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
陽極と陰極との間に発光層を含む有機薄膜層を備え、陽極から発光層に注入された正孔と陰極から発光層に注入された電子とが有機薄膜層で再結合し、その再結合によって生じる励起子（エキシトン）エネルギーによって発光を得る有機エレクトロルミネッセンス素子が知られている。
有機エレクトロルミネッセンス素子においては、自発光型素子としての利点を活かし、発光効率、画質、消費電力、さらには薄型のデザイン性に優れた発光素子として期待されている。【０００３】
有機エレクトロルミネッセンス素子の光学設計において、発光効率を向上させるために、光学干渉距離の調整が行われている。正孔輸送層などの有機層の膜厚を調整することで、実効的な発光効率の向上や発光スペクトルの変調が可能であり、素子設計において不可欠な手法となっている。
しかしながら、光学干渉距離の調整だけでは素子内部に閉じ込められた光を取り出すことはできない。そこで、素子内部に閉じ込められた光を効率良く取り出し、飛躍的に発光効率を向上させるための構造を備えた素子が提案されている。【０００４】
有機薄膜層を支持する透光性の支持基体（透光体）が位置する方向に光を取り出す素子構成における光の損失は、主に次のようなモードに分類される。
(i)透光体と空気との界面での全反射により、透光体内に閉じ込められる光のモード（基板モード）
(ii)透明電極と透光体との界面での全反射により、透明電極及び有機層内に閉じ込められる光のモード（薄膜モード）
(iii)金属電極に表面プラズモンとして吸収される光のモード（表面プラズモンモード）
これらの損失モードは、有機発光層中における全発光エネルギー量に対して、発光分子の存在する状態によって数１０％から１００％近くに及ぶ。ゆえに、これらの損失モードをどの様にして外部へ取り出すかが、高効率で発光する有機エレクトロルミネッセンス素子の開発に必要となる。
上記基板モード、薄膜モード及び表面プラズモンモードに起因する光の閉じ込めは、いずれも発光層において放射された光がエバネッセント光として素子内部に閉じ込められることによるものである。
素子内部にエバネッセント光として閉じ込められた光を取り出す具体的な手法として、種々の方法が報告されている。【０００５】
基板モードの光を取り出す手法としては、透光性支持基体表面に光散乱微粒子やマイクロレンズなどの凹凸構造を設ける手法が提案されている。例えば、特許文献１では、電極、エレクトロルミネッセンス層、及び透光体がこの順に配置され、さらに、透光体の光取出し面側に光散乱機能を有する層が設けられている。透光体と空気との界面に光散乱微粒子を配置することで、基板モードからの光取り出しを行っている。また、実施の形態として、光の方向を変化させ全反射を抑制するような散乱層などの構造を透光体内部に備えた素子構成も提案されている。【０００６】
薄膜モードの光を取り出す手法としては、透光性基体と透明電極層との間に光散乱層を備えた素子構造が提案されている。光散乱層は、粒径が数１０ｎｍから数１０μｍ程度のチタニアなどの高屈折率微粒子をバインダー樹脂中に分散させたものや、多孔質性のシリカ層、又は様々な光散乱性の新規性材料が用いられている。
例えば、特許文献２においては、電極、エレクトロルミネッセンス層、高屈折率透明電極層及び透光体がこの順に配置され、さらに、高屈折率透明電極層及び透光体のそれぞれ光取出し面側に、浸み出し光拡散層が設けられている。浸み出し光拡散層は、低屈折材料からなるマトリックス中に光を散乱させる粒子を含有させた層であって、エバネッセント光を散乱させる機能を持ち、薄膜モードの光取り出しを行う。ここで、光散乱機能とは、発光光線をＭｉｅ散乱によって多重散乱させることであり、有機薄膜層内部を進む導波光を光取出し方向に散乱させる、とされている。なお、特許文献２で用いられている手法では、特に、光取り出し層と透明電極との界面の平坦性が悪く透明電極を成膜する際に問題となることから、より信頼性が高く光取り出し効率の高い有機エレクトロルミネッセンス素子を作成するための手法が求められている。
また、特許文献３では、マイクロレンズなどの凹凸構造を透光性電極及び透光性基板の間に設けることにより光の全反射を抑制する手法が提案されている。【０００７】
さらに、サブミクロン程度の微細な周期構造を有する回折格子やフォトニック結晶を備えることにより光の分散関係（エネルギー・波数の関係）を制御し、光取り出し効率を向上させる手法も盛んに研究されている。例えば、特許文献４または特許文献５では、透光性の基板と第１の電極との間にサブミクロン程度の周期性をもつ回折格子部を備えた有機エレクトロルミネッセンス素子が提案されている。これらの有機エレクトロルミネッセンス素子では、回折格子を備えることでエバネッセント光となって閉じ込められている光（薄膜モードの光）を取り出すことが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−８３６８８号公報
【特許文献２】特許第４１４０５４１号公報
【特許文献３】特許第４０７３５１０号公報
【特許文献４】特許第４２５３３０２号公報
【特許文献５】特許第４３８６２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１から特許文献５までに記載された技術をもってしても、十分に光取出し効率を高くすることができないという問題があった。
中でも、特許文献１に記載されている手法では、透明電極及び有機層中に閉じ込められている薄膜モードや表面プラズモンモードの光を効果的に取り出すことができなかった。
さらに、特許文献４や特許文献５に記載された技術は、サブミクロン程度の周期性を有する回折格子によって白色光が分光されてしまい、特に、照明装置の光源として用いる発光素子に適さないという問題もあった。【００１０】
本発明の目的は、光取出し効率が高く、照明装置用の光源に適した有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することである。特に、薄膜モードや表面プラズモンモードの光学的損失を調整し、さらに薄膜モードからの光を効果的に取り出して外部量子効率を向上させると共に、回折性の小さい良好な白色発光を得ることのできる有機エレクトロルミネッセンス素子を提供することである。
また、本発明の目的は、当該有機エレクトロルミネッセンス素子を備えた照明装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、有機エレクトロルミネッセンス素子内に閉じ込められる発光層から発生した光を効率的に取り出す方策を鋭意検討した結果、透明電極と透明基板との界面に所定の凹凸形状を介在させることで、当該界面における全反射を抑制し、全反射によって生じるエバネッセント光を素子外部へ効率的に取り出せることを見出した。本発明は、このような知見に基づいて成されたものである。【００１２】
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子は、透明電極と、対向電極と、これら透明電極及び対向電極の間に設けられる有機発光層と、透光性基板とを備えた有機エレクトロルミネッセンス素子であって、前記透明電極には、前記有機発光層と対向する面とは反対の面に光取出し層が隣接して設けられ、この光取出し層は、前記透明電極側から順に積層される高屈折率層及び低屈折率層を備え、前記透光性基板は、前記低屈折率層に隣接して設けられ、前記有機エレクトロルミネッセンス素子の厚み方向断面を前記対向電極に対して前記光取出し層を上にして見たときに、前記高屈折率層は、当該高屈折率層と前記低屈折率層との界面に、凸部及び凹部で構成される複数の凹凸部ユニットを有し、前記複数の凹凸部ユニットのうち少なくとも一つの凹凸部ユニットにおける前記高屈折率層と前記低屈折率層との界面から前記透明電極と前記高屈折率層との界面までの距離ｄ１が光学可干渉距離以上で、かつ、前記凸部の高さｄ２、前記凸部の幅ｄ３、及び前記凸部と前記凹部を介して隣接する他の凸部との間隔ｄ４が１μｍ以上であることを特徴とする。【００１３】
本発明によれば、前記透光性基板側から光が取り出される有機エレクトロルミネッセンス素子において、光学可干渉距離以上の膜厚の高屈折率層を透明電極及び透光性基板の間に設けることで表面プラズモンモードに結合する割合が減少し、薄膜モードへの結合効率が高まる。従来技術では、当該高屈折率層を当該位置に設けることが考慮されていないので、表面プラズモンモードに結合する割合が大きく、光取り出し構造の効果は限定的であった。
本発明の構成では、結合効率の高くなった薄膜モードから光を取り出すために、高屈折率材料及び低屈折率材料により構成される凹凸構造を備えることで光取り出し効率が効果的に改善される。すなわち、透明電極側から順に高屈折率層及び低屈折率層が積層される光取出し層が透明電極に隣接して設けられ、上記凹凸部ユニットが高屈折率層と低屈折率層との界面に設けられているので、薄膜モードの光のうち、臨界角以上の角度で高屈折率層に入射する光が当該界面で全反射せずに、低屈折率層まで透過し、最終的に透光性基板を経て、外部へと光が取り出される。
よって、有機発光層で生じた放射光の取出し効率を向上させることができる。
また、凸部の高さｄ２、幅ｄ３、及び凸部同士の間隔ｄ４が、可視光領域における波長よりも十分に大きいので、サブミクロン程度の周期性及び突出高さを有する回折格子のように白色光が分光され難い。そのため、本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子は、回折性の小さい良好な白色発光を得ることができ、照明装置の光源に適している。従来技術では、サブミクロン程度の凹凸構造を採用したため、光取り出しと同時に回折される。さらに従来技術を利用して白色発光を取り出そうとすると、白色光のうち一部波長の光のみ光取り出し効率が上がるうえ、放射角度によって光取り出し効率が変化するため、色合いが発光素子を見る角度で変化するなど、問題となる。前記したように本発明は、白色のように様々な発光波長を含む放射光に対しても、前記した問題が顕著になることなく、光取り出し効率が向上するものである。【００１４】
本発明において、有機エレクトロルミネッセンス素子を基板厚み方向で断面視する場合の、断面位置について説明する。本発明では、有機エレクトロルミネッセンス素子を平面視して、少なくとも２つの隣接する凹凸部ユニットを通過する断面切り出し線に沿って有機エレクトロルミネッセンス素子を切り出して得られる断面を見る。そして、この断面切り出し線の方向及び位置条件は、種々設定できるものであるが、本発明では、少なくとも一の方向及び位置条件で断面を切り出した際に、上記したような光学可干渉距離によって規定される光取出し層及び凹凸部ユニットの寸法を満たしていれば良い。【００１５】
次に、光学可干渉距離の調整について説明する。光学干渉距離の調整は素子設計において一般的に行われている手法であるが、近接場光領域の現象や双極子放射理論にまで立ち戻って素子の発光特性を考えたときに、今までに提案されている光取り出し構造の多くは素子内の発光機構とは別に備えられたものと見なせるものが多数であった。
素子内部に光取り出し機能を有する層が挿入されると，素子が本来有する光学モードに変化が生じるため、光学モードの変化を考慮せずに最適な光学素子の設計をすることはできない。そこで、双極子放射がどの様にして薄膜モードや表面プラズモンモードに結合するのかを解析し、本発明では、表面プラズモンモードへの結合効率を低下させる上記光取り出し構造を備えることで外部量子効率の向上が可能となる。
また、表面プラズモンモードへの結合が抑制されることで、主に薄膜モードへの結合効率が向上することから、薄膜モードからの光取り出し効率を向上させる上記光取り出し構造を備えることで外部量子効率の向上が可能となる。
さらに、非回折性の周期構造で構築された上記光取り出し構造を備えることで、照明装置において有機発光層で生じた放射光が分光されることなく外部に取り出すことが可能となる。
なお、本発明において、光学可干渉距離は、（光学可干渉距離）＝λ２／｛ｎＨ（△λ）｝で規定される。ここで、λは有機発光層で生じた放射光の発光スペクトルのピーク波長であり、△λは発光スペクトルの半値幅である。また、ｎＨは高屈折率層の屈折率である。
また、非回折性の周期構造を有する本発明における凸部の高さｄ２、幅ｄ３、及び凸部同士の間隔ｄ４は、可視光領域における波長よりも十分に大きい必要があるため、通常１μｍ以上を必要とする。好ましくは、５μｍ以上、さらに好ましくは、２０μm以上である。なお、薄膜モードからの光取出しを効率的に行う意味では、凸部の高さｄ２、幅ｄ３、及び凸部同士の間隔ｄ４は１ｍｍ以下であることが好ましい。【００１６】
＜Photonic mode densityの解析による素子設計＞
ここで、双極子放射がどの様にして薄膜モードや表面プラズモンモードに結合するのかを、Photonic mode densityの解析結果に基づいて説明する。双極子放射理論の詳細は参考文献(Adv. Chem. Phys. 37 (1973) pp.1-65) に記載されている。
（素子構成Ａ１）
図１に、素子構成Ａ１として、典型的なボトムエミッション型の有機エレクトロルミネッセンス素子１００の構成を示す。有機エレクトロルミネッセンス素子１００は、ガラスからなる透光性基板１１０、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる透光性電極１２０、有機層１３０、Ａｇ（銀）からなる対向電極１４０を順に備えた素子構成となっている。なお、有機層１３０は、透光性電極１２０側から、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、及び電子輸送層を順に備えた構成となっている（有機層１３０の層構成は図示せず）。図１の有機層１３０には、正孔及び電子が再結合する再結合領域Ｓ１を一点鎖線で示し、有機層１３０内の発光層で生じた放射光の再結合領域Ｓ１からの光路を矢印で示した。また、透光性電極１２０の厚みＬｃ１は、光学可干渉距離未満である。
この有機エレクトロルミネッセンス素子１００において、有機層１３０内の発光分子を電気双極子モーメントとした場合の双極子放射エネルギーの波数展開形式を計算し、その結果に基づいて、発光分子がランダムに配向している場合における各モードへの結合効率を見積もった。結合効率を表１に示す。【００１７】
【表１】
2011132773.tif 000003
【００１８】
（素子構成Ａ２）
図２に、素子構成Ａ２として、膜厚の大きい高屈折率層を有するボトムエミッション型の有機エレクトロルミネッセンス素子２００の構成を示す。有機エレクトロルミネッセンス素子２００は、有機エレクトロルミネッセンス素子１００の透光性基板１１０と透光性電極１２０との間に光学可干渉距離よりも十分に厚い膜厚の高屈折率層２１０を備えた構成となっており、その他は、有機エレクトロルミネッセンス素子１００と共通である。図２の有機層１３０には、正孔及び電子が再結合する再結合領域Ｓ２を一点鎖線で示し、有機層１３０内の発光層で生じた放射光の再結合領域Ｓ２からの光路を矢印で示した。また、透光性電極１２０及び高屈折率層２１０の合計厚みＬｃ２は、光学可干渉距離以上である。
ここで、高屈折率層２１０の屈折率は、透光性基板１１０の屈折率よりも大きく、有機層１３０の屈折率以下である。有機エレクトロルミネッセンス素子２００は、光学的に十分に厚く、可干渉距離以上の膜厚の高屈折率層２１０を備えることで、電気双極子モーメントの振動は、透光性基板１１０と高屈折率層２１０との界面から受ける電場及び磁場の反射の影響が低下する。すなわち、素子構成Ａ２のような光学配置を備えた有機エレクトロルミネッセンス素子２００では、反射光による摂動の影響が小さい。一方、素子構成Ａ１の光学配置では，電気双極子モーメントの振動は反射光による摂動を受ける。ゆえに、素子構成Ａ２の光学配置は、発光層、透光性電極及び高屈折率層をまとめた半無限領域Ｓ３として、図３の様に近似することができる。図３において、矢印は、再結合領域Ｓ２における双極子放射の水平方向及び垂直方向を表す。
図３に示す光学配置について、有機エレクトロルミネッセンス素子１００の場合と同様に、発光層１３０中の発光分子を電気双極子モーメントとした場合の双極子放射エネルギーの波数展開形式を計算した。そして、この計算結果に基づいて、発光分子がランダムに配向している場合において各モードへの結合効率を見積もった。結合効率を表１に示す。【００１９】
表１に示されているように、素子構成Ａ２では、表面プラズモンモード（ＳＰＰｓモード：Surface plasmon Polaritons mode）への結合効率が低下する一方で、薄膜モードなどの他のモードへ結合することが分かる。なお、表面プラズモンモードとは、金属電極側に発光エネルギーが吸収される現象である。ゆえに表面プラズモンモードから光を取り出すことは、他の光学モードから取り出すことに比べて最も困難である。
このように透光性基板１１０と透光性電極１２０との間に高屈折率層２１０を備えた素子構成Ａ２とすることで、表面プラズモンモードへの結合が低下し、薄膜モードへの結合効率が高まる。さらに、本発明のように、高屈折率層と透光性基板との間に低屈折率層を設け、高屈折率層と低屈折率層との界面に凸部及び凹部で構成される複数の凹凸部ユニットを設けることで、結合効率が高まった当該薄膜モードの光を効率的に取り出すことができ、結果として、外部量子効率が向上する。【００２０】
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子において、前記透明電極の屈折率ｎ１、前記低屈折率層の屈折率ｎＬ、前記高屈折率層の屈折率ｎＨ、及び前記透光性基板の屈折率ｎ２が次の関係式（１）、（２）、（３）を満たすことが好ましい。なお、前記屈折率ｎ１、ｎＬ、ｎＨ、及びｎ２は、波長５５０ｎｍのときの値を示す。【００２１】
［数１］
｜ｎ１−ｎＨ｜＜０．２    （１）
｜ｎ２−ｎＬ｜＜０．２    （２）
ｎＨ＞ｎＬ                （３）【００２２】
本発明によれば、当該関係式（１）〜（３）で規定される屈折率の関係を有するので、薄膜モードの光が光取出し層の高屈折率層と低屈折率層との界面まで効率的に導かれる。さらに、高屈折率層と低屈折率層との界面における光の全反射が抑制される。
前記透明電極及び前記高屈折率層の屈折率は、同程度であることが好ましく、同様に前記透光性基板及び前記低屈折率層の屈折率は、同程度であることが好ましい。これらの差が０．２を超えると、界面で反射率が高くなり損失モードが著しく増加する要因となる。
したがって、上記関係式（１）〜（３）を満たすことにより有機発光層で生じた放射光の取出し効率をさらに高くすることができる。【００２３】
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子において、前記凸部の高さｄ２と、前記凸部の幅ｄ３とは、２．０＞ｄ２／ｄ３＞０．２の関係を満たすことが好ましい。【００２４】
本発明によれば、高屈折率層と低屈折率層との界面にある凹凸部ユニットまで透過した光をさらに効率的に低屈折率層まで透過させることができるので、光取出し効率をさらに高くすることができる。ｄ２／ｄ３が２．０より大きくなりアスペクト比が大きくなると、稠密構造をとったときに凸部側縁で屈折した光が隣接する凸部に再び入射する割合が高くなって、多重反射などが起こり、光取り出し効率の低下を招くおそれがある。均一な面発光を得るためには稠密構造もしくは、それに準ずるような充填率を取ることが望ましい。【００２５】
さらに、本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子において、前記凸部の高さ方向に沿った側縁は、前記有機発光層から発生した光の取り出し方向に対して３５度以下で傾斜していることが好ましい。【００２６】
本発明によれば、高屈折率層と低屈折率層との界面で全反射する光を効率的に取り出すことができる。【００２７】
そして、本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子において、前記高屈折率層の凸部の側縁は、前記有機発光層から発生した光の取り出し方向に沿った形状を有することが好ましい。
加えて、本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子において、前記高屈折率層の凸部上縁は、前記有機発光層から発生した光の取り出し方向に直交する方向に沿った形状を有することが好ましい。【００２８】
これらの発明によれば、高屈折率層と低屈折率層との界面にある凹凸部ユニットまで透過した光をさらに効率的に低屈折率層まで透過させることができるので、光取出し効率をさらに高くすることができる。なお、光の取出し方向に沿って高屈折率層の凸部側縁が形成されているときは、上記した傾斜角度は０度となる。【００２９】
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子において、前記光学可干渉距離が３μｍ以上であることが好ましい。【００３０】
この発明によれば、発光ピークの半値幅が広い光についても薄膜モードへの結合効率を効率的に高めることができる。【００３１】
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子において、
前記凸部の高さｄ２、前記凸部の幅ｄ３、及び前記凸部と前記凹部を介して隣接する他の凸部との間隔ｄ４が５μｍ以上であることが好ましい。
ｄ２が光学可干渉距離以下の場合、ｄ３、及びｄ４が光学可干渉距離以上であることが望ましい。【００３２】
この発明によれば、白色光が回折されることをより確実に防ぐことができる。【００３３】
本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子において、前記対向電極と前記有機発光層との間には、膜厚が７０ｎｍ以上の電子輸送帯域が設けられていることが好ましい。【００３４】
この発明によれば、電子輸送帯域の膜厚が７０ｎｍ以上なので、有機発光層内の水平方向に配向した発光分子の双極子放射の表面プラズモンモードへの結合効率が低下し、基板モード、薄膜モード、及び発光モードへの結合効率がさらに高まる。そして、上記光取出し層によって薄膜モードの光が効率的に取り出されるので、有機エレクトロルミネッセンス素子の外部量子効率を高めることができる。【００３５】
本発明の照明装置は、本発明に係る有機エレクトロルミネッセンス素子を備える。【００３６】
本発明に係る有機エレクトロルミネッセンス素子は、高い光取出し効率を有するので、輝度の高い照明装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】ボトムエミッション型の有機エレクトロルミネッセンス素子の素子構成を示す素子厚み方向の断面図。
【図２】ボトムエミッション型の有機エレクトロルミネッセンス素子であって、高屈折率層を備えた場合の素子構成を示す素子厚み方向の断面図。
【図３】図２の素子構成において、光学配置を近似した場合の一部断面図。
【図４】本発明の第一実施形態に係る有機エレクトロルミネッセンス素子の厚み方向の断面図。
【図５Ａ】前記実施形態に係る有機エレクトロルミネッセンス素子の高屈折率層を透光性基板側から平面視した図であって、凸部及び凹部の配置パターンを例示する図。
【図５Ｂ】図５Ａとは、異なる配置パターンを例示する図。
【図５Ｃ】図５Ａ、及び図５Ｂとは、異なる配置パターンを例示する図。
【図６】前記実施形態に係る有機エレクトロルミネッセンス素子の高屈折率層と低屈折率層との界面について図４と同様の方向で断面視して一部拡大した図。
【図７】本発明の第二実施形態に係る有機エレクトロルミネッセンス素子の厚み方向の断面図。
【図８】水平方向に配向した発光分子の双極子放射のPhotonic mode density解析結果を表す図。
【図９】垂直方向に配向した発光分子の双極子放射のPhotonic mode density解析結果を表す図。
【図１０】本発明の第三実施形態に係る有機エレクトロルミネッセンス素子の厚み方向の断面図。
【図１１Ａ】本発明の変形例に係る有機エレクトロルミネッセンス素子の高屈折率層を透光性基板側から平面視した図であって、凸部及び凹部の配置パターンを例示する図。
【図１１Ｂ】図１１Ａとは、異なる配置パターンを例示する図。
【図１１Ｃ】図１１Ａ、及び図１１Ｂとは、異なる配置パターンを例示する図。
【図１２】本発明の別の変形例に係る有機エレクトロルミネッセンス素子の厚み方向の断面図。
【図１３】本発明のさらに別の変形例に係る有機エレクトロルミネッセンス素子の厚み方向の断面図。
【図１４Ａ】有機エレクトロルミネッセンス素子からのＥＬ発光スペクトルの計測方法を説明する図。
【図１４Ｂ】図１４Ａにおける有機エレクトロルミネッセンス素子の構造を示す概略図。
【図１５Ａ】光取出し層構造からの散乱回折スペクトルの計測方法を説明する図。
【図１５Ｂ】図１５Ａにおける光取出し層構造を示す概略図。
【図１６Ａ】実施例に係る有機ＥＬ素子の放射形状を示す図。
【図１６Ｂ】比較例に係る有機ＥＬ素子の放射形状を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
＜第一実施形態＞
以下、本発明の第一実施形態を図面に基づいて説明する。
〔有機エレクトロルミネッセンス素子〕
図４は、第一実施形態に係る有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、有機ＥＬ素子という。）の厚み方向の断面図であり、その断面の一部を拡大して示している。
有機ＥＬ素子１は、透光性基板２と、光取出し層３と、透明電極４と、有機発光層５と、対向電極６と、をこの順に積層されて構成される。
【００３９】
（透光性基板）
透光性基板２は、光取出し層３と、透明電極４と、有機発光層５と、対向電極６とを支持するための平滑な板状の部材である。有機ＥＬ素子１は、有機発光層５で生じた放射光の光取出し方向が、透光性基板２側となる、いわゆるボトムエミッション型の素子である。そのため、透光性基板２は、透光性の部材が用いられ、４００ｎｍから７００ｎｍまでの可視領域の光の透過率が５０％以上であることが好ましい。具体的には、ガラス板、ポリマー板等が挙げられる。ガラス板としては、特にソーダ石灰ガラス、バリウム・ストロンチウム含有ガラス、鉛ガラス、アルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、石英等が挙げられる。またポリマー板としては、ポリカーボネート系樹脂、アクリル系樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂、ポリエーテルサルファイド系樹脂、ポリサルフォン系樹脂等を原料として用いてなるものを挙げることができる。透光性基板２の屈折率ｎ２は、１．４以上１．６以下とするのが好ましい。
【００４０】
（光取出し層）
光取出し層３は、有機発光層５で生じた放射光を効率的に取り出すために、透光性基板２及び透明電極４の間に設けられる。
光取出し層３は、透明電極４側から順に高屈折率層３１及び低屈折率層３２が積層されて構成され、低屈折率層３２が透光性基板２に隣接する。高屈折率層３１は、低屈折率層３２よりも高い屈折率を有する。
また、図４に示すように、高屈折率層３１は、低屈折率層３２との界面に、凸部３１１及び凹部３１２で構成される複数の凹凸部ユニット３１Ａを有している。凸部３１１は、透明電極４側から透光性基板２側へ向かって略円柱状に突出し、図４に示すように、略矩形の断面形状を有している。
【００４１】
図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃ（以下、これらをまとめて図５という場合がある。）は、高屈折率層３１の一部を透光性基板２側から平面視した図であり、低屈折率層３２及び透光性基板２については、説明の都合上、省略してある。図５は、高屈折率層３１の凸部３１１及び凹部３１２の配置パターンを例示するものである。配置パターンは、後述する高屈折率層３１及び凹凸部ユニット３１Ａの寸法関係を満たす限りにおいて、図５Ｂに示すような、凸部３１１が格子状に配置されたものであったり、図５Ａに示すような、稠密構造となるように配置されたものであったり、図５Ｃに示すような、凸部３１１同士が接するように配置されたものであってもよいし、このような配置に限られない。また、凸部３１１と凹部３１２とが逆の関係になっていてもよい。すなわち、図５の凸部３１１の位置が凹部３１２となって、高屈折率層３１に穴が設けられた状態であってもよい。
第一実施形態では、図５Ｂの配置パターンで高屈折率層３１が設けられている。なお、図４は、図５ＢにおけるＩＶ−ＩＶ線で断面を切り出した場合であって、矢印方向に沿って見た断面図を示すものである。
【００４２】
凹部３１２は、凸部３１１が多数配置されていることに伴い、凸部３１１が配置されていない部分に形成されることになる。そして、図４及び図５に示すように、断面視で凸部３１１及び凹部３１２が交互に連続して形成され、一つの凸部３１１及び一つの凹部３１２で凹凸部ユニット３１Ａが構成される。低屈折率層３２は、高屈折率層３１と積層されているため、凹凸部ユニット３１Ａの凸部３１１に対応する凹部３２２、及び凹部３１２に対応する凸部３２１を有する。
【００４３】
図６は、光取出し層３の高屈折率層３１と低屈折率層３２との界面について図４と同様の方向で断面視して一部拡大した図である。
本発明において、凸部３１１の高さ方向に沿った側縁（凸部側縁）３１１Ａが有機ＥＬ素子１の光取出し方向（有機発光層５から透光性基板２へ向かう方向であって、透光性基板２の面に対して鉛直方向）に対して傾斜する角度θは、３５度以下であることが好ましい。凸部側縁３１１Ａの当該傾斜角度θを３５度以下にすることで、高屈折率層３１と低屈折率層３２との界面に臨界角θｃ以上の角度で入射する光Ｒｃを、低屈折率層３２内へと効率的に導くことができる。
本実施形態では、傾斜角度θが略０度である。そのため、凸部３１１側縁は、光取出し方向に沿った形状となっている。また、凸部３１１の幅方向に沿った上縁（凸部上縁）３１１Ｂは、光取出し方向と直交する方向に沿った形状となっている。さらに、凹凸部ユニット３１Ａの凹部３１２の下縁３１２Ａ（換言すれば、低屈折率層３２側から見て、低屈折率層３２の凸部の上縁）も、光取出し方向と直交する方向に沿った形状となっている。
【００４４】
本実施形態では、光取出し層３及び凹凸部ユニット３１Ａの寸法が、光学可干渉距離又は所定の値によって規定される。まず、高屈折率層３１と透明電極４との界面から、高屈折率層３１と低屈折率層３２との界面までの距離ｄ１は、光学可干渉距離以上である。
また、凸部３１１の高さｄ２、幅ｄ３、及び一つの凹凸部ユニット３１Ａを構成する凸部３１１と他の凹凸部ユニット３１Ａを構成する凸部３１１との間隔ｄ４の寸法は、１μｍ以上である。好ましくは、５μｍ以上、さらに好ましくは、２０μｍ以上である。なお、薄膜モードからの光取出しを効率的に行う意味では、凸部３１１の高さｄ２、及び幅ｄ３、及び凸部３１１同士の間隔ｄ４は１ｍｍ以下であることが好ましい。高さｄ２は、図４のように有機ＥＬ素子１を断面視したときに、凸部３１１の上縁を通り透光性基板２の面に沿う方向の直線と凹部３１２の下縁を通り透光性基板２の面に沿う方向の直線との距離を示す。また、幅ｄ３は、図４のように有機ＥＬ素子１を断面視したときに、凸部３１１の左右の凸部側縁３１１Ａ間の透光性基板２の面に沿う方向の距離を示す。さらに、間隔ｄ４は、図４のように有機ＥＬ素子１を断面視したときに、凸部３１１の左右どちらかの凸部側縁３１１Ａと、凹部３１２を介して当該左右どちらかの凸部側縁３１１Ａと対向する他の凸部側縁３１１Ａとの透光性基板２の面に沿う方向の距離を示す。
なお、凸部３１１の高さｄ２及び幅ｄ３とは、２．０＞ｄ２／ｄ３＞０．２の関係を満たすのが好ましく、本実施形態ではこの関係を満たす。より好ましくは、１．０＞ｄ２／ｄ３＞０．５の関係を満たすことが好ましい。このような関係を満たすことで、高屈折率層３１と低屈折率層３２との界面にある凹凸部ユニット３１Ａまで透過した光をさらに効率的に低屈折率層３２まで透過させることができるので、光取出し効率をさらに高くすることができる。ｄ２／ｄ３が２．０より大きくなりアスペクト比が大きくなると、凸部側縁３１１Ａで屈折した光が隣接する凸部３１１に再び入射する割合が高くなって、多重反射などが起こり、光取り出し効率の低下を招くおそれがある。
また、後述するように、有機発光層５は、それぞれ発光可能な有機発光層が積層されて構成される場合もある。この場合は、複数の有機発光層で生じた放射光のピーク波長のうち、最も大きいものを基準として光学可干渉距離を規定するものとする。例えば、赤色、緑色、及び青色で発光する有機発光層５を積層させて、これらの発光色を合成して有機ＥＬ素子から白色光を出射させる場合には、赤色光のピーク波長が最も大きいので、赤色光のピーク波長に基づいて光学可干渉距離が規定される。
ここで本発明の光学可干渉距離を求めるための半値幅を測定するに当っては、赤色発光分子の発光スペクトルによって規定されるものとする。たとえばピーク波長６１０ｎｍで半値幅１０ｎｍの時には、光学可干渉距離は、約２０μｍとなる。さらに、演色性に優れた照明装置を得るためには、発光ピークの半値幅が大きい発光分子を用いることが望ましく、たとえば発光ピークの半値幅が６０ｎｍのときは、光学可干渉距離は、３．５μｍ程度となる。したがって、本発明の高屈折率層３１の距離ｄ１として好ましい範囲は、３μｍ以上である。また、実際に用いられる照明パネルの基板の厚さが１ｍｍ程度であることから、高屈折率層の膜厚は１ｍｍ以下が好ましい。
【００４５】
高屈折率層３１を形成するためには例えば、チタン系メタロキサンポリマーなど無機酸化物をゾルゲル反応により成膜する手法がある。また，高屈折率を示すチタニア、ジルコニアなど無機酸化物等の微粒子を汎用樹脂に分散させスピンコート法などの塗布法により成膜する手法がある。さらには，エピスルフィド系樹脂材料などを挙げることができる。
高屈折率層３１の屈折率ｎＨは、１．８以上２．２以下とするのが好ましい。なお、高屈折率層３１の凸部３１１を構成する材料を、他の部分を構成する材料と異なるものとしてもよい。この場合、両者の屈折率を等しくするか、凸部３１１の方を低い屈折率で構成するのが好ましい。
低屈折率層３２を構成する材料としては、ガラス材料、ポリマー材料等が挙げられる。ガラス材料としては、特にソーダ石灰ガラス、バリウム・ストロンチウム含有ガラス、鉛ガラス、アルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、石英等が挙げられる。またポリマー材料としては、ポリカーボネート系樹脂、アクリル系樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂、ポリエーテルサルファイド系樹脂、ポリサルフォン系樹脂、シクロオレフィン系樹脂等を原料として用いてなるものを挙げることができる。低屈折率層３２の屈折率ｎＬは、１．４以上１．６以下とするのが好ましい。なお、低屈折率層３２の凸部３２１を構成する材料を、他の部分を構成する材料と異なるものとしてもよい。この場合、両者の屈折率を等しくするか、凸部３２１の方を凸部３２１以外の部分よりも高い屈折率で構成するのが好ましい。
【００４６】
（透明電極）
透明電極４は、光取出し層３の高屈折率層３１に隣接して設けられる。本実施形態では、透明電極４が陽極となり、対向電極６が陰極となる。なお、透明電極４を陰極とし、対向電極６を陽極としてもよい。
透明電極４には、公知の電極材料が用いられ、例えば、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）や、ＩＺＯ（登録商標）（酸化インジウム亜鉛）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等の透明電極材料が用いられる。透明電極４の屈折率ｎ１は、１．８以上２．２以下とするのが好ましい。
【００４７】
（有機発光層）
有機発光層５は、透明電極４及び対向電極６の間に設けられる。
有機発光層５は、一層で構成してもよいし、複数層で構成してもよい。また、透明電極４及び対向電極６と有機発光層５との間に正孔注入層、正孔輸送層、電子注入層、電子輸送層、電荷障壁層などを介在させてもよい。
有機発光層５にはＡｌｑ３等の公知の発光材料が用いられ、赤色、緑色、青色、黄色等の単色光を示す構成のものや、それらの組み合わせによる発光色、例えば、白色発光を示す構成のもの等が用いられる。また、発光層を形成するにあたっては、ホストに、ドーパントとして発光材料をドーピングするドーピング法が知られている。ドーピング法で形成した発光層では、ホストに注入された電荷から効率よく励起子を生成することができる。そして、生成された励起子の励起子エネルギーをドーパントに移動させ、ドーパントから高効率の発光を得ることができる。
本発明の有機ＥＬ素子の有機発光層５において、上述の例示した化合物以外に、従来の有機ＥＬ素子において使用される公知のものの中から任意の化合物を選択して用いることができる。
【００４８】
（対向電極）
対向電極６は、有機発光層５に隣接して設けられ、公知の電極材料が用いられる。
対向電極６は、好ましくは、光を反射させる材料で構成され、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の金属や合金等で構成される。
対向電極６は、一層で構成してもよいし、複数層で構成してもよい。光を反射させる材料で構成される層同士を積層させてもよいし、透明な導電性部材で構成される層と光を反射させる材料で構成される層とを積層させてもよい。
【００４９】
（屈折率の相対的関係）
有機ＥＬ素子１において、透光性基板２の屈折率ｎ２、高屈折率層３１の屈折率ｎＨ、低屈折率層３２の屈折率ｎＬ及び透明電極４の屈折率ｎ１が、上記数式（１）〜（３）の関係を満たすことが好ましい。なお、屈折率ｎ１、ｎＬ、ｎＨ、及びｎ２は、波長５５０ｎｍのときの値を示す。
【００５０】
（有機ＥＬ素子の製造方法）
・低屈折率層の作成
透光性基板２上に低屈折率層３２を構成する低屈折率材料を均一に塗布する。ここでは、低屈折材料として熱可塑性樹脂材料を用いる。次に、第一実施形態に係る凹凸部ユニット３１Ａが複数配置されたパターンに対応した凹凸形状を有するモールドを加熱し、当該加熱されたモールドを低屈折材料に押し当てて軟化させ、当該凹凸形状を転写する（熱インプリント）。その後、モールド及び低屈折材料を室温程度まで冷却し、モールドを脱型すると低屈折率層３２が透光性基板２上に形成される。
【００５１】
・高屈折率層の作成
透光性基板２上の低屈折率層３２に対して、高屈折率層３１を構成する高屈折材料を均一に塗布する。ここでは、金属酸化物微粒子を樹脂バインダー中に均一に分散させたインク組成物をスピンコーティング法により塗布する。塗布回数を調整することによって、低屈折率層３２の凹凸形状の凹部内に高屈折材料を充填するとともに、高屈折率層３１の厚さ寸法（上記距離ｄ１に相当）を光学可干渉距離以上にする。その後、インク組成物を乾燥固化させることで、高屈折率層３１が形成される。こうして、光取出し層３が形成される。
低屈折率層３２にモールド形成された凹凸形状に対して当該インク組成物が塗布されて、高屈折率層３１が形成されるので、当該高屈折率層３１は、凹凸部ユニット３１Ａに対応した形状を有することになる。
【００５２】
・有機発光層の形成
光取出し層３を形成した後、高屈折率層３１上に、透明電極４、有機発光層５及び対向電極６を順次積層形成する。透明電極４や対向電極６の形成は、真空蒸着やスパッタリング等の公知の方法を採用することができる。また有機発光層５の形成は、真空蒸着、スパッタリング、プラズマ、イオンプレーティング等の乾式成膜法やスピンコーティング、ディッピング、フローコーティング、インクジェット等の湿式成膜法等の公知の方法を採用することができる。
このようにして、複数の凹凸部ユニット３１Ａを有する光取出し層３を備えた有機エレクトロルミネッセンス素子１を得ることができる。
【００５３】
以上のような第一実施形態によれば、次のような作用効果を奏する。
透明電極４と高屈折率層３１との界面から、高屈折率層３１と低屈折率層３２との界面までの距離ｄ１が、有機発光層５で生じた放射光の光学可干渉距離以上あるので、当該放射光が、対向電極６が反射電極である場合は該反射電極表層の表面プラズモンモードに結合する割合が減少し、薄膜モードへの結合効率が高まる。
そして、光取出し層３が透明電極４に隣接して設けられ、凹凸部ユニット３１Ａが高屈折率層３１と低屈折率層３２との界面に設けられているので、薄膜モードの光のうち、臨界角以上の角度で高屈折率層３１に入射する光が当該界面で全反射せずに、低屈折率層３２まで透過し、最終的に透光性基板２を経て、有機ＥＬ素子１の外部へと光が取り出される。
よって、有機発光層５で生じた放射光の取出し効率を高くすることができる。
【００５４】
また、高屈折率層３１の凸部３１１の高さｄ２、幅ｄ３、及び凸部同士の間隔ｄ４が、１μｍ以上であって、可視光領域における波長よりも十分に大きいので、サブミクロン程度の周期性及び突出高さを有する回折格子のように白色光が分光され難い。そのため有機ＥＬ素子１は、回折性の小さい良好な白色発光を得ることができ、照明装置の光源に適している。
【００５５】
さらに、透光性基板２、高屈折率層３１、低屈折率層３２及び透明電極４のそれぞれの屈折率は、前記数式（１）〜（３）の関係を満たすので、透明電極４と高屈折率層３１との界面における薄膜モードの光の全反射が抑制され、高屈折率層３１と低屈折率層３２との界面まで効率的に導かれる。さらに、高屈折率層３１と低屈折率層３２との界面における光の全反射が抑制される。そのため、有機発光層５で生じた放射光の取出し効率をさらに高くすることができる。
【００５６】
そして、凸部３１１の高さｄ２と、凸部３１１の幅ｄ３とは、２．０＞ｄ２／ｄ３＞０．２の関係を満たし、凸部側縁３１１Ａは、光の取り出し方向に沿った形状（傾斜角度θが略０度である）を有し、凸部上縁３１１Ｂは、光の取り出し方向に直交する方向に沿った形状を有するので、高屈折率層と低屈折率層との界面にある凹凸部ユニット３１Ａまで透過した光をさらに効率的に低屈折率層まで透過させることができる。すなわち、凸部３１１が略矩形状に光取出し方向に突出した形状なので、臨界角以上で光取出し層３に入射してきた光を凸部側縁３１１Ａで屈折させて低屈折率層３２へと効率的に導くことができる。よって、光取出し効率をさらに高くすることができる。
【００５７】
＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態を図面に基づいて説明する。
〔有機エレクトロルミネッセンス素子〕
図７は、第二実施形態に係る有機ＥＬ素子４０の厚み方向の断面図であり、その断面の一部を拡大して示している。
第二実施形態に係る有機ＥＬ素子４０は、第一実施形態に係る有機ＥＬ素子１における有機発光層５と対向電極６との間に、電子輸送帯域４１が設けられ、有機発光層５と透明電極４との間に、正孔輸送帯域４２が設けられる以外は、有機ＥＬ素子１と同様の構成を有する。すなわち、有機ＥＬ素子４０は、透光性基板２と、光取出し層３と、透明電極４と、正孔輸送帯域４２と、有機発光層５と、電子輸送帯域４１と、対向電極６と、をこの順に積層されて構成される。有機ＥＬ素子４０は、有機発光層５で生じた放射光の光取出し方向が、透光性基板２側となる、いわゆるボトムエミッション型の素子である。
なお、第二実施形態の説明において第一実施形態と同一の構成要素は、同一符号や名称を付す等して説明を省略もしくは簡略にする。また、第二実施形態では、第一実施形態で説明したものと同様の材料や化合物を用いることができる。
【００５８】
（電子輸送帯域）
電子輸送帯域４１は、有機発光層５への電子の注入を助け、発光領域まで電子を輸送する帯域であって、電子移動度が大きい。
電子輸送帯域４１は、電子注入層、及び電子輸送層のいずれか一方によって構成されるものであって、いずれか単独で構成されてもよいし、電子注入層、及び電子輸送層の積層構造で構成されてもよい。言い換えると、電子輸送帯域とは陰極と発光層の間に存在する有機層体であって、陰極から発光層へ電子を輸送する機能を有する有機層体を示す。
【００５９】
電子輸送帯域４１の膜厚は、７０ｎｍ以上であることが好ましい。
電子輸送帯域４１の膜厚を７０ｎｍ以上にすることで、第一実施形態で説明した光取出し層３との相乗効果によって、外部量子効率をさらに高めることができる。
外部量子効率が高まる理由は、素子構成Ａ３を用いて次のように考えられる。
【００６０】
（素子構成Ａ３）
素子構成Ａ３は、上記素子構成Ａ１において、対向電極をアルミニウム（Ａｌ）とし、対向電極と電子輸送帯域としての電子輸送層との間に電子注入層を備えた以外は素子構成Ａ１と同様であり、発光層は、赤色に発光する層とする。
そして、素子構成Ａ３において、発光層に含まれる発光分子を電気双極子モーメントとした場合の配向方向を、垂直方向（Ｖｅｒｔｉｃａｌ）、及び水平方向（Ｐａｒａｌｌｅｌ）に分けて考える。
この素子構成Ａ３について電子輸送層の膜厚を変化させ、素子構成Ａ１の場合と同じようにして、水平方向に配向した発光分子の双極子放射、及び垂直方向に配向した発光分子の双極子放射についてPhotonic mode densityの解析を行う。
【００６１】
図８は、水平方向に配向した発光分子の双極子放射についてのPhotonic mode density解析結果を表す図であって、具体的には、電子輸送帯域の膜厚と発光分子の双極子放射の結合効率との関係を示す。図８によれば、電子輸送層の膜厚が増えるにしたがって双極子放射が表面プラズモンモードに結合する効率（ＳＰＰｓ結合効率）が低下することが分かる。このＳＰＰｓ結合効率の低下に伴って、基板モード、薄膜モード、及び発光モードへ結合する効率が上昇することがわかる。
この解析結果より、電子輸送層の膜厚が７０ｎｍになると、ＳＰＰｓ結合効率が１５％程度まで低下し、薄膜モードへの結合効率が１５％程度まで向上するので、電子輸送帯域の膜厚としては、７０ｎｍ以上が好ましい。
なお、通常の有機ＥＬ素子では、電子輸送帯域として設けられる電子輸送層の膜厚が３０ｎｍ程度なので、ＳＰＰｓ結合効率が６０％程度と高く、薄膜モードへの結合効率が５％程度と低い。
【００６２】
そして、素子構成Ａ３において、透光性基板と透光性電極との間に第一実施形態で説明した光取出し層３を設ければ、結合効率が向上した薄膜モードの光を効率的に素子外部へと取り出すことができる。
【００６３】
そうすると、素子構成Ａ３において、電子輸送層の膜厚を７０ｎｍ以上とし、光取出し層３を設ければ、水平方向に配向した発光分子の双極子放射の薄膜モードへ結合する割合が増加するので、電子輸送層の膜厚が３０ｎｍ程度の有機ＥＬ素子に光取出し層３を設けた場合に比べて、その結合割合が増加した分、素子外部へ取り出せる光が増える。
【００６４】
したがって、第二実施形態の有機ＥＬ素子４０は、電子輸送帯域４１の膜厚が７０ｎｍ以上であり、第一実施形態の光取出し層３を備えているので、外部量子効率をさらに高めることができる。
【００６５】
図９は、垂直方向に配向した発光分子の双極子放射についてのPhotonic mode density解析結果を表す図であって、具体的には、電子輸送帯域の膜厚と発光分子の双極子放射の結合効率との関係を示す。図９によれば、電子輸送帯域の膜厚が増えても、図８のようにＳＰＰｓ結合効率が低下しないことが分かる。実際には、電子輸送帯域の膜厚を２５０ｎｍ以上にすると、ＳＰＰｓ結合効率が低下する。なお、電子輸送帯域の膜厚は、３００ｎｍを超えると、製膜に時間を要したり、駆動電圧の上昇を招いたりするおそれがあるため、３００ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００６６】
（電子輸送帯域の材料）
電子注入層、及び電子輸送層に用いられる材料として、例えば、特開２００９-１９９７３８号公報や特開２００８-１６６６２９号公報に記載された、８−ヒドロキシキノリン、８−ヒドロキシキノリンの誘導体の金属錯体、オキサジアゾール誘導体、含窒素複素環誘導体、シラシクロペンタジエン誘導体、ボラン誘導体、ガリウム錯体が挙げられる。ただし、電子注入層、及び電子輸送層には、電子輸送帯域としての性質を有するものであれば特に制限はなく、従来、光導伝材料において電子の電荷輸送材料として慣用されているものや、有機ＥＬ素子の電子注入層や電子輸送層に使用される公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。
【００６７】
また、電子輸送帯域４１に還元性ドーパントが含まれていることが好ましい。還元性ドーパントが含まれていることで、有機ＥＬ素子４０のように電子輸送帯域４１の膜厚が大きくても、電子輸送帯域４１は、有機発光層５への電子の注入を助け、発光領域まで電子を輸送できる。また、対向電極６と電子輸送帯域４１との界面領域に還元性ドーパントが含まれていてもよい。
還元性ドーパントとは、電子輸送性化合物を還元ができる物質と定義される。したがって、一定の還元性を有するものであれば、様々なものが用いられ、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属、アルカリ金属の酸化物、アルカリ金属のハロゲン化物、アルカリ土類金属の酸化物、アルカリ土類金属のハロゲン化物、希土類金属の酸化物または希土類金属のハロゲン化物、アルカリ金属の有機錯体、アルカリ土類金属の有機錯体、希土類金属の有機錯体からなる群から選択される少なくとも一つの物質を好適に使用することができる。
【００６８】
また、より具体的に、好ましい還元性ドーパントとしては、Ｌｉ（仕事関数：２．９ｅＶ）、Ｎａ（仕事関数：２．３６ｅＶ）、Ｋ（仕事関数：２．２８ｅＶ）、Ｒｂ（仕事関数：２．１６ｅＶ）、及びＣｓ（仕事関数：１．９５ｅＶ）からなる群から選択される少なくとも１つのアルカリ金属や、Ｃａ（仕事関数：２．９ｅＶ）、Ｓｒ（仕事関数：２．０〜２．５ｅＶ）、及びＢａ（仕事関数：２．５２ｅＶ）からなる群から選択される少なくとも１つのアルカリ土類金属が挙げられる仕事関数が２．９ｅＶ以下のものが特に好ましい。これらのうち、より好ましい還元性ドーパントは、Ｋ、ＲｂおよびＣｓからなる群から選択される少なくとも１つのアルカリ金属であり、さらに好ましくは、ＲｂまたはＣｓであり、最も好ましいのは、Ｃｓである。これらのアルカリ金属は、特に還元能力が高く、電子注入域への比較的少量の添加により、有機ＥＬ素子における発光輝度の向上や長寿命化が図られる。また、仕事関数が２．９ｅＶ以下の還元性ドーパントとして、これら２種以上のアルカリ金属の組み合わせも好ましく、特に、Ｃｓを含んだ組み合わせ、例えば、ＣｓとＮａ、ＣｓとＫ、ＣｓとＲｂあるいはＣｓとＮａとＫとの組み合わせであることが好ましい。Ｃｓを組み合わせて含むことにより、還元能力を効率的に発揮することができ、電子注入域への添加により、有機ＥＬ素子における発光輝度の向上や長寿命化が図られる。
【００６９】
対向電極６と電子輸送帯域４１との間に絶縁体や半導体で構成される電子注入層をさらに設けても良い。この時、電流のリークを有効に防止して、電子注入性を向上させることができる。このような絶縁体としては、アルカリ金属カルコゲニド、アルカリ土類金属カルコゲニド、アルカリ金属のハロゲン化物およびアルカリ土類金属のハロゲン化物からなる群から選択される少なくとも１つの金属化合物を使用するのが好ましい。この電子注入層がこれらのアルカリ金属カルコゲニド等で構成されていれば、電子注入性をさらに向上させることができる点で好ましい。具体的に、好ましいアルカリ金属カルコゲニドとしては、例えば、Ｌｉ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｎａ２Ｓ、Ｎａ２ＳｅおよびＮａ２Ｏが挙げられ、好ましいアルカリ土類金属カルコゲニドとしては、例えば、ＣａＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＢｅＯ、ＢａＳ、及びＣａＳｅが挙げられる。また、好ましいアルカリ金属のハロゲン化物としては、例えば、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＫＦ、ＬｉＣｌ、ＫＣｌ、及びＮａＣｌ等が挙げられる。また、好ましいアルカリ土類金属のハロゲン化物としては、例えば、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＳｒＦ２、ＭｇＦ２、及びＢｅＦ２といったフッ化物や、フッ化物以外のハロゲン化物が挙げられる。
また、この電子注入層を構成する半導体としては、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｙｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｓｂ、及びＺｎの少なくとも１つの元素を含む酸化物、窒化物または酸化窒化物等の１種単独、又は２種以上の組み合わせが挙げられる。また、電子輸送層を構成する無機化合物が、微結晶、又は非晶質の絶縁性薄膜であることが好ましい。電子輸送層がこれらの絶縁性薄膜で構成されていれば、より均質な薄膜が形成されるために、ダークスポット等の画素欠陥を減少させることができる。なお、このような無機化合物としては、上述したアルカリ金属カルコゲニド、アルカリ土類金属カルコゲニド、アルカリ金属のハロゲン化物、及びアルカリ土類金属のハロゲン化物等が挙げられる。
【００７０】
（正孔輸送帯域）
正孔輸送帯域４２は、有機発光層５への正孔の注入を助ける領域であり、正孔移動度が大きい。この正孔輸送帯域４２は、正孔注入層、及び正孔輸送層のいずれか１層により形成される構成でもよく、正孔注入性および正孔輸送性を有する単層でもよい。また、正孔輸送帯域４２は、有機発光層５に隣接する障壁層を含んでいても良い。
【００７１】
（正孔輸送帯域の材料）
正孔輸送帯域４２を構成する材料は、例えば、特開２００９-１９９７３８号公報に記載された正孔注入層、及び正孔輸送層に用いられる材料の他、従来、光導伝材料において正孔の電荷輸送材料として慣用されているものや、有機ＥＬ素子の正孔注入や正孔輸送層に使用される公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。
【００７２】
＜第三実施形態＞
次に、本発明の第三実施形態を図面に基づいて説明する。
〔有機ＥＬ素子〕
図１０は、第三実施形態に係る有機ＥＬ素子５０の厚み方向の断面図であり、その断面の一部を拡大して示している。
第三実施形態に係る有機ＥＬ素子５０は、第二実施形態に係る有機ＥＬ素子４０において、電子輸送帯域４１と透明電極４との間に、中間ユニット５Ａを有し、この中間ユニット５Ａを挟んで複数の有機発光層５１，５５，５６を有する以外は、有機ＥＬ素子４０と同様の構成を有する。すなわち、有機ＥＬ素子５０は、透光性基板２と、光取出し層３と、透明電極４と、正孔輸送帯域４２と、第一有機発光層５１と、中間ユニット５Ａと、第二有機発光層５５と、第三有機発光層５６と、電子輸送帯域４１と、対向電極６と、をこの順に積層されて構成される。この有機ＥＬ素子５０のように、中間ユニットを介して複数の有機発光層５１，５５，５６を積層し、直列に接続した素子構成は、タンデム型とも呼ばれる。有機ＥＬ素子５０は、有機発光層５１，５５，５６で生じた放射光の光取出し方向が、透光性基板２側となる、いわゆるボトムエミッション型の素子である。
なお、第三実施形態の説明において第一実施形態、及び第二実施形態と同一の構成要素は、同一符号や名称を付す等して説明を省略もしくは簡略にする。また、第三実施形態では、第一実施形態、及び第二実施形態で説明したものと同様の材料や化合物を用いることができる。
【００７３】
（有機発光層）
有機発光層５１，５５，５６には、第一実施形態で説明した有機発光層の材料を用いることができる。
ここで、第一有機発光層５１と、第二有機発光層５５と、第三有機発光層５６とが互いに同じ材料で構成されていても、異なる材料で構成されていてもよい。そして、第一有機発光層５１と、第二有機発光層５５と、第三有機発光層５６の発光色が、互いに同じでなくてもよく、例えば、それぞれ青、緑、赤色で発光するように構成されていてもよい。
【００７４】
（中間ユニット）
中間ユニット５Ａは、有機発光層５１，５５，５６へ、正孔、もしくは電子の注入をする。
有機ＥＬ素子５０における中間ユニット５Ａは、図１０に示したように、第一有機発光層５１側から、中間ユニット内の電子注入層５２、中間層５３、中間ユニット内の正孔注入層５４を順に備える。
中間ユニット５Ａの各層５２，５３，５４を構成する材料は、タンデム型有機ＥＬ素子の中間ユニットを構成する材料として使用される公知のものの中から任意のものを選択して用いることができる。例えば、特開平１１−３２９７４８号公報、特開２００６−６６３８０号公報、特開２００６−１７３５５０号公報、特開２０１０−９２７４１号公報、特開２００４−２８１３７１号公報に記載された構成、及び材料が挙げられる。
【００７５】
第三実施形態の有機ＥＬ素子５０も、電子輸送帯域４１の膜厚が７０ｎｍ以上であり、第一実施形態の光取出し層３を備えている。さらに、第三実施形態の有機ＥＬ素子５０は、中間ユニット５Ａを介して複数の有機発光層５１，５５，５６を積層し、直列に接続した素子構成である。そのため、単一の有機発光層を有する第一実施形態の有機ＥＬ素子１や第２実施形態の有機ＥＬ素子４０と比べて、外部量子効率を高くすることができる。
【００７６】
〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲で以下に示される変形をも含むものである。
第一実施形態では、凹凸部ユニット３１Ａの凸部３１１は、透明電極４側から透光性基板２側へ向かって円柱状に突出し、図４に示すように、略矩形の断面形状を有しているが、その他の形状であってもよい。
図１１Ａ、図１１Ｂ、及び図１１Ｃは、図５と同様に、高屈折率層３１の一部を透光性基板２側から平面視した図である。図１１Ａや図１１Ｂに示すように、平面視して四角形状となるように突出する四角柱状の凸部３１１であってもよい。そして、図１１Ａに示すように、格子状に配置されたり、図１１Ｂに示すように、稠密構造となるように配置されたりしてもよいし、凸部３１１が千鳥格子状に配置（図示せず）されていてもよい。また、図１１Ｃに示すように、平面視して三角形状となるように突出する三角柱状の凸部３１１であってもよい。
そして、凸部３１１同士の間隔、幅、及び高さが全ての凹凸部ユニット３１Ａにおいて同じでなくてもよい。さらに、凸部３１１が規則的に配置されていなくとも、ランダムに配置されていてもよい。
さらに、凹凸部ユニット３１Ａを規定する上記高さｄ２、上記幅ｄ３、及び上記間隔ｄ４の寸法関係は、必ずしも全ての凹凸部ユニット３１Ａが満たしている必要は無く、少なくとも一つの凹凸部ユニット３１Ａが満たしていれば良い。
また、第一実施形態で説明した有機ＥＬ素子１において、図５ＢのＩＶ−ＩＶ線で切り出した断面でなく、図５ＢのＶ−Ｖ線で切り出した断面で、上記した光学可干渉距離によって規定される光取出し層３及び凹凸部ユニット３１Ａの寸法関係を満たしていれば良い。
【００７７】
ここで、当該凸部の断面形状が上記実施形態とは異なる場合の一例を変形例として示す。図１２は、本発明の変形例に係る有機ＥＬ素子２０の基板厚み方向の一部縦断面図である。なお、有機ＥＬ素子２０の説明において上記実施形態と同一の構成要素は同一符号を付して説明を省略もしくは簡略にする。
高屈折率層３１は、図１２に示すように透明電極４側から透光性基板２側へ向かうにしたがって幅が狭くなる凸部３３１と、これとは反対に幅が広くなる凹部３３２とで構成される複数の凹凸部ユニット３３Ａを有する。低屈折率層３２は、高屈折率層３１と積層されているため、凹凸部ユニット３３Ａの凸部３３１に対応する凹部３４２、及び凹部３３２に対応する凸部３４１を有する。
凹凸部ユニット３３Ａにおける凸部側縁３３１Ａの傾斜角度θは、有機ＥＬ素子２０の光取出し方向（有機発光層５から透光性基板２へ向かう方向であって、透光性基板２の面に対して鉛直方向）と直交する方向に対して約３０度である。また、本実施形態では、凸部上縁３３１Ｂは、光取出し方向と直交する方向に沿った形状となっている。
【００７８】
有機ＥＬ素子２０においても、光取出し層３及び凹凸部ユニット３３Ａの寸法が、光学可干渉距離によって規定される。まず、高屈折率層３１と透明電極４との界面から、高屈折率層３１と低屈折率層３２との界面までの距離ｄ１は、光学可干渉距離以上である。
凸部３３１の高さｄ２、幅ｄ３、及び一つの凹凸部ユニット３３Ａを構成する凸部３３１と他の凹凸部ユニット３３Ａを構成する凸部３３１との間隔ｄ４の寸法は、１μｍ以上である。好ましくは、５μｍ以上、さらに好ましくは、２０μm以上である。なお、薄膜モードからの光取出しを効率的に行う意味では、凸部３３１の高さｄ２、及び幅ｄ３、及び凸部３３１同士の間隔ｄ４は１ｍｍ以下であることが好ましい。
ここで、図１２のように凸部側縁３３１Ａが傾斜している場合には、凸部側縁３３１Ａのいずれかの位置で幅ｄ３の寸法及び間隔ｄ４の寸法を第一実施形態と同様にして規定した際に、上記規定したｄ２〜ｄ４の値となっていればよい。
また、本変形例でも、凸部３３１の高さｄ２及び幅ｄ３とは、２．０＞ｄ２／ｄ３＞０．２の関係を満たすのが好ましく、より好ましくは、１．０＞ｄ２／ｄ３＞０．５の関係を満たすことが好ましい。
【００７９】
このような、有機ＥＬ素子２０においても、有機発光層で生じた放射光の取出し効率を高くすることができる。また、凹凸部ユニット３３Ａの当該形状によっても、光の取出し効率を高くすることができる。そして、有機ＥＬ素子２０も、照明装置の光源に適している。
【００８０】
さらに、高屈折率層の凸部の断面形状が上記実施形態とは異なる場合の他の例を示す。
図１３は、本発明の変形例に係る有機ＥＬ素子３０の基板厚み方向の一部縦断面図である。なお、有機ＥＬ素子３０の説明において上記実施形態と同一の構成要素は同一符号を付して説明を省略もしくは簡略にする。
有機ＥＬ素子３０のように、凸部３５１及び凹部３５２で構成される凹凸部ユニット３５Ａにおける凸部上縁３５１Ｂの両端が湾曲していてもよい。このような形状となっていても、凹凸部ユニット３５Ａにおける寸法関係ｄ２〜ｄ４が上記実施形態で説明した可視光領域における波長程度以上となっていれば、光の取出し効率を高くすることができる。そして、有機ＥＬ素子３０も、照明装置の光源に適している。
【００８１】
その他、光取出し層３の高屈折率層３１や低屈折率層３２は、一層で構成されていなくともよく、上記数式（１）〜（３）の関係を満たすように複数層が積層されて構成されていてもよい。
【００８２】
加えて、上記実施形態では、有機ＥＬ素子をボトムエミッション型素子として説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、トップエミッション型素子の場合にも適用し得る。
【００８３】
光取出し層３の形成方法は、上記実施形態で説明したものに限られない。
例えば、高屈折率層３１を構成する材料からなり、厚みが上記距離ｄ１と上記高さｄ２の合計寸法以上のフィルムに対して、複数の凹凸部ユニット３１Ａの形状に対応するパターンを転写して凹凸を形成する。その後、当該凹凸が形成された高屈折率層３１の面に対して、低屈折率層３２を構成する材料からなる溶液を塗布して低屈折率層３２を形成することで、光取出し層３が形成される。なお、これとは逆に、低屈折率層３２を構成する材料からなるフィルムに凹凸を形成しておいて、高屈折率層３１を構成する材料からなる溶液を塗布して高屈折率層３１を形成する方法でもよい。
他の形成方法としては、例えば、高屈折率層３１を構成する材料からなり、厚みが上記距離ｄ１の寸法以上の基材フィルム上に、チタニアやジルコニアの微粒子が分散した樹脂バインダーを塗布して複数の凹凸部ユニット３１Ａの形状に対応する凹凸を形成する。そして、当該凹凸が形成された面に対して、低屈折率層３２を構成する材料からなる溶液を塗布して低屈折率層３２を形成することで、光取出し層３が形成される。なお、ここでも高屈折率層３１と低屈折率層３２とを逆にして形成する方法でもよい。そして、当該分散される微粒子の屈折率ｎｐは、ｎＨ≦ｎｐの関係を満たす。
このように形成した光取出し層３と透光性基板２とは、例えば、低屈折率層３２を構成する材料と屈折率が略同等の接着剤等で両者を貼り合わせることで積層される。
【００８４】
また、本発明の有機ＥＬ素子において、透光性基板の上部方向外側に、第二の光取り出し層を隣接して設けてもよい。第二の光取り出し層の構造としては、微粒子による拡散シート、マイクロレンズ、マイクロプリズム、凹凸構造等の全反射を抑制する構造を適宜利用することができる。透光性基板と有機ＥＬ素子外部との界面に第二光取出し層を介在させるので、当該界面での全反射を防止して、光の取出し効率をさらに高くすることができる。
【００８５】
その他、タンデム型の有機ＥＬ素子において、第三実施形態で説明した有機ＥＬ素子５０のように、３つの有機発光層を備えずに、例えば、中間ユニット５Ａを介して、第一有機発光層５１と、第二有機発光層５５とを備えた構成としてもよい。
さらに、複数の中間ユニットを備えた素子構成としてもよい。
また、各有機発光層の発光色を同じ色としてもよいし、異なる色としてもよい。このとき、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び青（Ｂ）で発光する発光層を設けて、各色を混色して白色発光素子としてもよい。
【実施例】
【００８６】
次に、実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例の記載内容に何ら制限されるものではない。
本実施例では、有機ＥＬ素子を作成し、駆動試験を行い、光取出し効率を測定した。
＜１＞有機ＥＬ素子の作製
〔実施例１〕
(1)低屈折率層の形成
ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ，polymethyl methacrylate：和光純薬製（平均分子量：１０万））を固形分濃度１５質量％となるようにキシレンに溶解させ、低屈折率層形成用の塗布液を調製した（粘度：３０ｃＰ）。次に、この塗布液を、２５ｍｍ×２５ｍｍ×０．７ｍｍ厚（日本板硝子製、ＮＡ３５）、屈折率：１．５０（波長=５５０ｎｍ）のガラス基板上にスピンコーティング法により塗布した。塗布条件は、１５００ｒｐｍで６０秒間、回転を保持した。
その後、１５０℃のホットプレート上で３０分間保持し、塗布液の乾燥を行なってＰＭＭＡ膜を形成した。ＰＭＭＡ膜の膜厚を測定したところ、２．２μｍであった。同じ操作（塗布及び乾燥）を多数回繰り返し、膜厚２０μｍとした。
屈折率の測定は、ジェーエー・ウーラム社製エリプソメーターを用いて測定した。屈折率測定値は１．５０（波長=５５０ｎｍ）であった。以下の屈折率の測定も同様にして行った。
次に、熱インプリント法によって、光取出しパターンを上記ＰＭＭＡ膜に転写した。２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．７ｍｍ厚のシリコン基板にフォトリソグラフィー法により形成した光取出しパターンを有する金型（モールド）を用いた。
上記ＰＭＭＡ膜を成膜したガラス基板と上記金型とを予め重ね合わせ、熱インプリント装置のステージに置いた。上記ＰＭＭＡ膜に対して圧力２ＭＰａで対向板を押し当て、上記ＰＭＭＡ膜の温度が１４０℃となるように、加熱温度を設定した。上記ＰＭＭＡ膜を軟化させるために１分間、この状態を保持し、その後、ステージおよび対向板の加熱を停止し、冷却水を流し冷却した。上記金型と上記ＰＭＭＡ膜との温度が室温に戻ったところで圧力を開放し、上記ＰＭＭＡ成膜基板と上記金型を取り出した。両者を離してガラス基板上に光取り出しパターンが転写された低屈折率層であるＰＭＭＡ膜を得た。上記ＰＭＭＡ膜を走査型電子顕微鏡で観察したところ、深さ２０μｍ、直径２０μｍの円柱が２０μｍ間隔で形成されていた。【００８７】
(2)高屈折率層の形成
高屈折率材料として、酸化チタン微粒子と樹脂の混合材料を用いた。酸化チタン微粒子スラリーとして、テイカ社製の高透明性微粒子酸化チタンスラリー（酸化チタン微粒子径：１５〜２５ｎｍ、溶剤：プロピレングリコールモノメチルエーテル）を、また、樹脂として、ＤＩＣ社製ベッコーライト（M-6401-50）、スーパーベッカミン（J-820-60）を用いた。３者の固形分質量比として７．００：０．８５：０．１５、総固形分濃度３３質量％となるように高屈折率層形成用のインクを調整した。このインクの粘度は、４２ｃＰであった。
高屈折材料膜の屈折率を測定するために上記インクを別のガラス基板上にスピンコーティング法により塗布した。その後、上記インクの乾燥を１００℃で行なって高屈折材料膜を形成した。高屈折材料膜の膜厚を測定したところ、３．３μｍであった。また、高屈折材料膜の屈折率を測定したところ、１．８３（波長=５５０ｎｍ）であった。
上記熱インプリントにて作製した基板上の光取出しパターンを有するＰＭＭＡ膜（高屈折率層）の上に、上記インクをスピンコーティング法により塗布した。塗布条件は、１５００ｒｐｍで６０秒間、回転を保持した。その後、１００℃のホットプレート上で６０分間保持し、上記インクの乾燥を行なって高屈折材料膜を形成した。同じ操作（塗布及び乾燥）を１２回繰り返した。
ガラス基板を基板厚み方向に沿って切断し、その断面を走査型電子顕微鏡により観察したところ、ガラス基板側より、上記ＰＭＭＡ膜（低屈折率層）と上記高屈折率材料膜（高屈折率層）とが積層して光取出し層及び凹凸部ユニットが形成されていた。そして、上記第一実施形態で説明した光取出し層及び凹凸部ユニットの各寸法は、距離ｄ１＝２０μｍ、高さｄ２＝２０μｍ、幅ｄ３＝２０μｍ、及び間隔ｄ４＝２０μｍとなっていた。【００８８】
(3)有機ＥＬ層の形成
ガラス基板上の高屈折率層に対して、有機ＥＬ層を真空蒸着法で積層形成した。有機ＥＬ層の構成は次の通りとした。第１発光層は、赤色発光層とし、第２発光層は、青色発光層とし、第３発光層は、緑色発光層とした。
透明電極        ：ＩＴＯ（厚さ：１３０ｎｍ、
屈折率：１．８５（波長=５５０ｎｍ））
正孔注入層      ：化合物ＨＩ（厚さ：６０ｎｍ）
正孔輸送層      ：化合物ＨＴ（厚さ：１５ｎｍ）
有機発光層（第１発光層）
：化合物ＲＨ及び化合物ＲＤ
（厚さ：５ｎｍ、ＲＤ濃度：０．５質量％）
電荷障壁層      ：化合物ＨＴ及び化合物ＧＤ
（厚さ：５ｎｍ、ＧＤ濃度：５質量％）
有機発光層（第２発光層）
：化合物ＢＨ及び化合物ＢＤ
（厚さ１５ｎｍ、ＢＤ濃度：７．５質量％）
有機発光層（第３発光層）
：化合物ＢＨ及び化合物ＧＤ
（厚さ２５ｎｍ、ＧＤ濃度：１０質量％）
電子輸送層      ：トリス（８−キノリノール）アルミニウム膜
（Ａｌｑ３）（厚さ：２０ｎｍ）
電子注入層      ：ＬｉＦ（厚さ：１．６ｎｍ）
対向電極        ：Ａｌ（厚さ：１５０ｎｍ）【００８９】
上記有機ＥＬ素子に用いた化合物を次に示す。【００９０】
【化１】
2011132773.tif 000004
【００９１】
〔実施例２〕
光取出しパターンを、直径５０μｍ、高さ５０μｍの円柱を六方最密充填構造状(図５Ａ参照)に配置し、最も隣接する円柱と円柱との間隔を５０μｍとした以外は、実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製した。上記第一実施形態で説明した光取出し層及び凹凸部ユニットの各寸法は、距離ｄ１＝２０μｍ、高さｄ２＝５０μｍ、幅ｄ３＝５０μｍ、及び間隔ｄ４＝５０μｍとなっていた。【００９２】
〔比較例１〕
実施例１において、光取出し層（低屈折率層及び高屈折率層）を形成しなかった以外は、実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製した。【００９３】
〔比較例２〕
金型の光取出しパターンを変更し、直径２０μｍ、高さ２０μｍの円柱を六方最密充填構造状に配置し、最も隣接する円柱と円柱との間隔を、２０μｍとし、高屈折材料膜の形成操作（塗布及び乾燥）回数を減らして、距離ｄ１が光学可干渉距離未満（０．５μｍ）となるようにした以外は、実施例１と同様にして有機ＥＬ素子を作製した。光取出し層及び凹凸部ユニットの各寸法は、距離ｄ１＝０．５μｍ、高さｄ２＝２０μｍ、幅ｄ３＝２０μｍ、及び間隔ｄ４＝２０μｍとなっていた。【００９４】
＜２＞駆動試験
有機ＥＬ素子の駆動試験条件としては、電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ２となるように有機ＥＬ素子に電圧を印加し、そのときのＥＬ発光スペクトルを分光放射輝度計（ＣＳ−１０００：コミカミノルタ社製）にて計測した。
図１４Ａ、及び図１４Ｂは、有機ＥＬ素子の構造の評価方法を説明する概略図である。
全光束で放射強度を測定するために、図１４Ａに示すように、有機ＥＬ素子１の透光性基板２（ガラス基板）に、シリンドリカルレンズ８を取り付けて、発光スペクトルの角度依存性を計測した。なお、シリンドリカルレンズ８の屈折率は、ガラス基板２と同等の屈折率（１．５）とした。また，シリンドリカルレンズ８と，ガラス基板２との間にはエアギャップを埋めるために，屈折率が１．５程度のオイルを充填した。放射角θを０度から７０度まで５度おきに変化させて、分光放射輝度計９にてＥＬ発光スペクトルを計測した。
有機ＥＬ素子１としては、実施例１、２、及び比較例１、２で作製したものを用いた。
得られた角度依存性の分光放射輝度スペクトルから、全光束の発光エネルギーを求めて光取り出し効率を計算した。比較例１の外部量子効率によって規格化したものを表２に示す。なお、図１４Ｂでは、有機ＥＬ素子１の構造として、光取出し層を設けていない場合（比較例１に相当）を示しているが、光取出し層を設ける場合は、透光性基板２及び透明電極４の間に設けられるものとする。【００９５】
【表２】
2011132773.tif 000005
【００９６】
＜３＞光取出し層の評価
次に、光取出し層の構造を評価した。
図１５Ａ、及び図１５Ｂは、光取出し層の構造の評価方法を説明する概略図である。高屈折率層３１及び低屈折率層３２が積層された光取出し層３（図１５Ｂ参照）の低屈折率層３２側に、シリンドリカルレンズ９（上記＜２＞と同じもの）を取り付けた。そして、図１５Ａに示す矢印の方向に白色光を入射させ、その散乱回折スペクトルを分光放射輝度計９（ＣＳ−１０００）にて測定した。また，シリンドリカルレンズ８と，低屈折率層３２との間にはエアギャップを埋めるために，屈折率が１．５程度のオイルを充填した。放射角θを０度から７０度まで５度おきに変化させて、分光放射輝度計９にてＥＬ発光スペクトルを計測した。
光取出し層３としては、実施例１、実施例２、比較例２で作製したものを用いた。
得られた分光放射輝度スペクトルの角度依存性の測定結果から、光取出し層の回折性を評価した。【００９７】
表２に示すように、実施例１、及び実施例２の有機ＥＬ素子は、すぐれた外部量子効率を示した。これは、実施例１、及び実施例２の有機ＥＬ素子は、上記式（１）〜（３）に規定する屈折率の関係を満たすと共に、距離ｄ１が有機発光層で発光したピーク波長６１０ｎｍ、半値幅２３ｎｍの光に対する光学可干渉距離以上の寸法となっているので、発光した光の薄膜モードへの結合効率が高まるとともに、界面での光の全反射が防止されたためである。ここで、光学可干渉距離は、高屈折率層中においては、８．８μｍである。
さらに、高さｄ２、幅ｄ３、及び間隔ｄ４が有機発光層で発光した光の波長よりも十分に大きいので、発光スペクトルの角度依存性が小さく、すなわち回折性が低く、白色光が放射角に依存して顕著に分光されることなく、取り出されたためである。
一方、表２に示すように、比較例１では、光取出し層を有していないので、外部量子効率は低いものとなった。また、比較例２では、光取出し層を有し、高さｄ２、幅ｄ３、及び間隔ｄ４が有機発光層で発光した光の波長よりも十分に大きいので、白色光が放射角に依存して顕著に分光されることなく、取り出されるものの、距離ｄ１が有機発光層で発光した光に対して光学可干渉距離（８．８μｍ）未満の寸法となっているので、外部量子効率としては実施例１、及び実施例２に比べると、劣る結果となった。【００９８】
＜電子輸送層の厚膜化による表面プラズモン抑制効果＞
高屈折率ガラス基板上に電子輸送帯域の厚さが異なる３種類の青色蛍光有機ＥＬ素子を作成し、表面プラズモンの抑制効果の検証を行った。
この有機ＥＬ素子は、上述の実施例１と同様にガラス基板上の高屈折率層に対して、有機ＥＬ層を真空蒸着法で積層形成した。有機ＥＬ層の構成は、次の通りとした。
透明電極        ：ＩＴＯ（厚さ：１３０ｎｍ）、
正孔注入層      ：化合物ＨＩ-２（厚さ：５０ｎｍ）
正孔輸送層      ：化合物ＨＴ-２（厚さ：４５ｎｍ）
有機発光層      ：化合物ＢＨ及び化合物ＢＤ
（厚さ：２０ｎｍ、ＢＤ濃度：５質量％）
電子輸送層１    ：化合物ＥＴ-１（厚さ：５ｎｍ）
電子輸送層２    ：化合物ＥＴ-２及びＬｉ
（厚さ：（Ｘ−５）ｎｍ、Ｌｉ濃度：５質量％）
電子注入層      ：ＬｉＦ（厚さ：０．５ｎｍ）
対向電極        ：Ａｌ（厚さ：１００ｎｍ）【００９９】
この有機ＥＬ素子に用いた化合物を次に示す。【０１００】
【化２】
2011132773.tif 000006
【０１０１】
陰極と発光層との距離ＸをＸ＝３０ｎｍ、Ｘ＝１６０ｎｍおよびＸ＝１６５ｎｍとした。この距離Ｘは、電子輸送帯域の厚さに相当し、そのため、電子輸送層１の厚さ５ｎｍと電子輸送層２の厚さ（Ｘ−５）ｎｍとの合計が、Ｘｎｍとなる。
理論計算上、表面プラズモンモードの抑制効果はＸ＝７０ｎｍ程度の膜厚で表れるが、青色発光波長における光学干渉距離の最適化を行うため上記の膜厚とした。なお、Ｘ＝３０ｎｍ、Ｘ＝１６０ｎｍおよびＸ＝１６５ｎｍは、光学干渉における１次モードと２次モードの極大値に対応する膜厚である。【０１０２】
上述の駆動試験と同じ条件で、Ｘ＝３０ｎｍ、Ｘ＝１６０ｎｍおよびＸ＝１６５ｎｍの有機ＥＬ素子構成の発光スペクトルの角度依存性を計測し外部量子効率を算出した。なお、表３には、Ｘ＝３０ｎｍの場合の有機ＥＬ素子の外部量子効率によって規格化した値を示す。
電子輸送帯域の厚みを増加させることでＳＰＰｓモードの抑制が起き、結果として外部量子効率が向上した。【０１０３】
【表３】
2011132773.tif 000007
【０１０４】
〔実施例３〕
ガラス基板上に、直径１０μｍ、高さ１μｍの円柱が六方最密充填構造状に配置され、最も隣接する円柱と円柱との間隔が１０μｍとなる光取り出し構造を作成し、この光取り出し構造の上に以下の構成で第１発光層と第２発光層とを備えた有機ＥＬ層を作成し、実施例３に係る有機ＥＬ素子とした。なお、第１発光層は、青色発光層とし、第２発光層は、緑色発光層とした。化合物は、既に示したものと同じものを用いた。
表面プラズモンによる消光を抑制するために第二発光層と陰極との距離が計９０ｎｍ保たれている。各有機層の膜厚は、タンデム素子を設計する上でキャリアバランスと光路長の調整を考慮し決定した。
透明電極      ：ＩＺＯ（厚さ：１３０ｎｍ）
正孔注入層１  ：化合物ＨＩ-２（厚さ：７０ｎｍ）
正孔輸送層１  ：化合物ＨＴ-２（厚さ：５０ｎｍ）
有機発光層１（第１発光層）
：化合物ＢＨ及び化合物ＢＤ
（厚さ：２０ｎｍ、ＢＤ濃度：５質量％）
電子輸送層１  ：化合物ＥＴ-１（厚さ：５ｎｍ）
電子輸送層２  ：化合物ＥＴ-２及びＬｉ（厚さ：５ｎｍ、Ｌｉ濃度：５質量％）
電荷発生層    ：化合物ＨＩ-３（厚さ：５ｎｍ）
正孔注入層２  ：化合物ＨＩ-２（厚さ：１０ｎｍ）
正孔輸送層２  ：化合物ＨＴ-２（厚さ：３０ｎｍ）
有機発光層２（第２発光層）
：化合物ＢＨ及び化合物ＧＤ
（厚さ：２０ｎｍ、ＧＤ濃度：５質量％）
電子輸送層３  ：化合物ＥＴ-１（厚さ：４５ｎｍ）
電子輸送層４  ：化合物ＥＴ-２及びＬｉ（厚さ：４５ｎｍ、Ｌｉ濃度：５質量％）
電子注入層    ：ＬｉＦ（厚さ：０．５ｎｍ）
陰極          ：Ａｌ（厚さ：８０ｎｍ）【０１０５】
実施例３に係る有機ＥＬ素子の電荷発生層に用いた化合物を次に示す。【０１０６】
【化３】
2011132773.tif 000008
【０１０７】
〔比較例３〕
光取り出し構造を備えていない以外は、実施例３に記載したものと同じ有機ＥＬ素子を作成した。【０１０８】
＜外部量子効率＞
上述の駆動試験と同じ条件で、実施例３、及び比較例３の有機ＥＬ素子の発光スペクトルの角度依存性を計測し外部量子効率を算出した。比較例３の外部量子効率によって規格化したものを表４に示す。【０１０９】
【表４】
2011132773.tif 000009
【０１１０】
＜配光分布＞
実施例３および比較例３の分光放射輝度スペクトルの角度依存性測定より配光分布を求めた結果、光取り出し構造を備えた有機ＥＬ素子は、その放射の形状がランバーシアン放射と比べて大幅に広がるため、外部量子効率の大幅な向上が得られた。
実施例３および比較例３の有機ＥＬ素子の放射形状を測定し、正面の外部量子効率で規格化した図を示す。図１６Ａは、実施例３の有機ＥＬ素子の規格化後の放射形状であり、図１６Ｂは、比較例３の有機ＥＬ素子の規格化後の放射形状である。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明に係る有機エレクトロルミネッセンス素子は、照明装置の他に、ディスプレイ等の発光素子としても用いられる。
【符号の説明】
【０１１２】
１，２０，３０，４０，５０  有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）
２  透光性基板
３  光取出し層
３１  高屈折率層
３１Ａ，３３Ａ，３５Ａ  凹凸部ユニット
３２  低屈折率層
３１１，３３１，３５１  凸部
３１１Ａ  凸部側縁
３１１Ｂ  凸部上縁
３１２，３３２，３５２  凹部
４  透明電極
５  有機発光層
６  対向電極
４１  電子輸送帯域
【図１】
2011132773.tif 000010
【図２】
2011132773.tif 000011
【図３】
2011132773.tif 000012
【図４】
2011132773.tif 000013
【図５Ａ】
2011132773.tif 000014
【図５Ｂ】
2011132773.tif 000015
【図５Ｃ】
2011132773.tif 000016
【図６】
2011132773.tif 000017
【図７】
2011132773.tif 000018
【図８】
2011132773.tif 000019
【図９】
2011132773.tif 000020
【図１０】
2011132773.tif 000021
【図１１Ａ】
2011132773.tif 000022
【図１１Ｂ】
2011132773.tif 000023
【図１１Ｃ】
2011132773.tif 000024
【図１２】
2011132773.tif 000025
【図１３】
2011132773.tif 000026
【図１４Ａ】
2011132773.tif 000027
【図１４Ｂ】
2011132773.tif 000028
【図１５Ａ】
2011132773.tif 000029
【図１５Ｂ】
2011132773.tif 000030
【図１６Ａ】
2011132773.tif 000031
【図１６Ｂ】
2011132773.tif 000032
【国際調査報告】
2011132773.tif 000033
2011132773.tif 000034
2011132773.tif 000035
2011132773.tif 000036